浅谈建筑钢结构焊接变形控制措施

浅谈建筑钢结构焊接变形控制措施

王从然

关键词：建筑钢结构；焊接变形；控制措施

前言：

钢结构焊接过程是高温加热过程，焊缝熔池金属熔点处温度最高，而熔池周围金属湿度由熔点递减，直到达到室温。焊接高温金属受热膨胀，因金属膨胀受到周围低温金属的阻碍，无法自由膨胀，形成塑性变形。在焊后冷却过程中，塑性收缩金属，又受到其周围金属的阻碍，无法自由收缩，从而使整体构件产生一定的收缩，形成焊接变形。

一、建筑钢结构的组成及焊接特点

1.建筑钢结构的组成

建筑钢结构一般由柱子、梁、屋盖系统、钢杆支撑系统等组成。这些系统构件采用热轧钢板、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、无缝（有缝）钢管、钢球，以及各种横截面冷弯薄壁型钢进行拼装焊接而成。

2.建筑钢结构焊接特点

建筑钢结构焊接特点是“三多一高”，即钢材品种规格多，节点构造形式多，焊接方法多，焊接质量要求高。

二、钢结构焊接变形的种类及产生原因

由于焊接结构的接头形式、工艺、方式及焊缝位置等的不同，造成焊接变形在外观表现形式上各有不同，归纳起来，可分为纵横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形和螺旋形变形。

1、构件焊后产生的纵横向收缩变形：构件焊后在焊缝方面上的收缩变形，称为纵向收缩变形，而垂直于焊缝方向的收缩变形称为横向收缩变形。其产生原因主要是因为焊接时，高温区金属的膨胀受低温金属阻碍，产生塑性变形所造成。

2、挠曲变形：构件焊后在外形上发生挠曲。产生原因主要是因为两侧焊缝收缩变形量的不同，或一边产生收缩变形而另一边保持不变而引起的。

3、角变形：焊后构造的平面围绕焊缝产生的角位移。产生原因主要是由于沿板厚方向焊缝收缩变形量的不同造成。

4、波浪变形：构件的焊接后呈波浪状的变形，主要出现在薄钢板的焊接中，其产生原因是由于薄钢板焊后存在焊缝内应力，在内应力作用下，使薄板失稳，形成波浪变形。

5、错边变形：焊后两焊接件在长度方向和厚度方向的错位现象，称为错边变形。主要是焊接过程中两焊接件的受热不均匀造成的。

6、螺旋形变形：焊件在结构上出现的扭曲变形。产生原因主要是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边造成的。

三、影响各种焊接变形的因素

在实际焊接过程中，不同条件下的焊接所产生的焊接变形量各不相同，在诸多工艺因素中焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大则焊接时产生的塑性变形区面积越大，焊后的焊接变形越大，反之则越小。决定焊接线能量的因素主要有：

1、焊缝尺寸的大小：焊缝尺寸越大则焊接所需线能量也越大。

2、焊接的分层方式：焊缝施焊时，分层焊的层数越多，每层所需的线能量越小，变形就越小。但对于开坡口的对接焊缝角变形来讲，则是例外，分层数越多，角变形越大，这主要是由焊件厚度方向的温差所决定的。

3、焊接的原始温度：原始温度高，无形中提高线能量，造成塑性变形增大，焊后的焊接变形随之增大。（当原始温度提高到一定程度时，焊件的温差下降，焊接变形反而减小）。

4、在满足受力要求的前提下，间断焊可降低线能量，从而减小焊接变形。焊接方法是影响焊接变形另一因素，实践及各国焊接专家的研究表明，对于相同焊件，相同焊缝，选择不同的焊接方法，其焊接变形也不同，埋弧焊的焊接变形最大，其次为手弧焊，最小的焊接变形为CO2气体保护焊。因此，在条件设备许可的情况下，选择合适的焊接方法，可有效降低焊接变形。合理选择拼装顺序和焊接顺序，可降低焊接变形。

四、控制建筑钢结构焊接变形的设计措施

建筑钢结构焊接节点构造形式多，比较复杂。如果在节点构造设计上考虑得比较周到，注意减少钢结构焊接变形，往往比单纯从焊接工艺上来解决问题方便得多。相反地，如果设计考虑不周，则往往给生产带来诸多额外的工序，提高产品成本。在建筑钢结构焊接节点构造设计时，应注意以下几点：

1.尽量减少焊缝的数量、尺寸钢结构中焊缝数量越多、尺寸越大，焊接热源对结构的热输入就越大，产生的焊接变形也就越大。因此在设计钢结构节点构造时，应力求减少焊缝数量和尺寸。

2.根据不同的焊接工艺方法，合理选用焊缝的坡口形状和尺寸。

设计建筑钢结构节点焊缝时，应在保证结构具有足够承载能力的条件下，采用适当的坡口形状和尺寸，以减少焊缝截面积及结构的焊接变形。

3.焊缝位置应对称于构件截面的中性轴焊缝位置尽可能对称于构件截面的中性轴，或者尽量靠近中性轴，这对减少梁、柱等一类钢结构的挠曲变形有良好的效果。

4.采用刚性较小的节点形式，避免焊缝集中和双向、三向相交这样可减小焊缝交叉点处或焊缝集中处的热量及应力，从而减小焊接变形。

5.便于焊接操作，避免在仰焊位置施焊

在建筑钢结构加工制作时，应尽量避免将焊缝置于仰焊位置施焊，以利于操作和保证焊接质量。无法避免时，应要求焊工掌握全位置焊接的操作技能。

6.焊缝位置应避开高应力区

焊缝区的应力越大，则钢结构越容易产生焊接变形及焊缝裂纹。

7.不同的建筑钢结构节点形式，对焊缝设置应有不同的要求

五、控制建筑钢结构焊接变形的工艺措施

在建筑钢结构焊接施工过程中，根据不同的节点构造及焊缝形式，采取适当的焊接工艺措施，对于控制钢结构焊接变形也具有非常重要的作用。

1.采用合理的装配-焊接顺序

（1）应将钢结构尽可能先装配成整体再焊接这样可增大钢结构焊接时的刚性，以减少变形。以工字梁为例，先整体装配再焊接，其焊后的上拱弯曲变形，要比边装边焊顺序所产生的弯曲变形小得多。

（2）对称焊缝应采用对称焊接法

一般先焊的焊缝由于结构刚度较小易使结构产生变形。所以，对截面形状、焊缝布置均匀对称的钢结构件，应采用对称焊接施工。

（3）不对称焊缝应先焊焊缝少的一侧

对于不对称焊缝的钢结构，应先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧。这样可使后焊的变形足以抵消先焊一侧的变形，以减少结构总体变形。

（4）采用不同的焊接顺序控制焊接变形

对于钢结构中的长焊缝，在可能的情况下将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，可使局部焊缝造成的变形适当减少或相互抵消，以减少结构总体变形。

2.反变形

焊前将建筑钢结构装配成具有与焊接变形方向相反、大小相等的预先反变形，以抵消结构焊后形成的变形。例如，为了防止工字梁上下盖板焊后产生角变形，可在焊前使用油压机或折边机将其盖板预先反向压弯。

3.刚性固定

是焊接时在没有反变形的情况下，利用外加刚度约束来固定构件，限制其焊接变形的方法。例如，可采用装焊胎卡具等增加钢结构在焊接时的刚度，以减小变形。

4.热平衡法

对于某些焊缝不对称布置的建筑钢结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在结构上与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊缝同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减少或防止结构弯曲变形。

结束语：

由于影响建筑钢结构焊接变形的因素较多，钢结构有时出现焊接变形是难以避免的。因此在建筑钢结构制造与安装中，焊后对钢结构焊接变形的矫正（机械矫正或火焰矫正）也是一种必不可少的工艺措施。

参考文献

[1]王者昌.焊接应力变形原理若干问题的探讨【J】.焊接学报，2016，27（8）：73-76.33-35

[2]郭荣玲，马淑娟.钢结构工程质量控制与检测【M】机械工业出版社，2012.23-25